Ingenio (helicóptero)


El ingenio es un pequeño robot de helicópteros que operan en Marte como parte de la NASA 's Marte 2020 misión. El 19 de abril de 2021, completó con éxito el primer vuelo controlado impulsado por un avión en un planeta además de la Tierra, despegando verticalmente , flotando y aterrizando. [9] [10] Con siete vuelos exitosos hasta el 8 de junio de 2021, el helicóptero de drones coaxiales con batería y carga solar está sirviendo comodemostración de tecnología y operaciones para el uso potencial de sondas voladoras en futuras misiones a Marte y otros mundos. , y tendrá el potencial de explorar ubicaciones de interés y respaldar las rutas de conducción planificadas para el rover Perseverance . [11] [12] [1] [13] El ingenio fue construido por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL). Dave Lavery es el ejecutivo del programa, MiMi Aung es el director del proyecto, Håvard Fjær Grip es el piloto principal y Bob Balaram es el ingeniero jefe. [14] Otros contribuyentes incluyen AeroVironment, Inc. , el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Centro de Investigación Langley de la NASA. [15]

El ingenio estaba destinado a volar hasta cinco veces durante su campaña de prueba de 30 días programada al principio de la misión del rover. Principalmente demostraciones de tecnología, [1] [16] los vuelos se planificaron para altitudes de entre 3 y 5 m (10-16 pies) sobre el suelo durante un máximo de 90 segundos cada uno. [1] El ingenio , que puede viajar hasta 50 m (160 pies) hacia abajo del rango y luego regresar al área de inicio, [1] utiliza control autónomo durante sus vuelos cortos, que son planificados y programados de forma telerobótica por operadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL). ). Se comunica directamente con el vehículo Perseverance después de cada aterrizaje.

El ingenio viajó a Marte unido a la parte inferior del rover Perseverance , llegando al sitio de aterrizaje Octavia E. Butler en el cráter Jezero el 18 de febrero de 2021. Se desplegó el 3 de abril de 2021, [5] [6] [7] y después Al descargar el dron, la perseverancia condujo aproximadamente a 100 m (330 pies) de distancia para permitirle una "zona de amortiguación" segura en la que realizó su primer vuelo. [17] [18] El 19 de abril de 2021 a las 07:15 UTC, Ingenuity realizó su primer despegue , que se confirmó 3 horas después a las 10:15 UTC, como se ve en una transmisión de TV en vivo desde el control de la misión JPL. [19] [20] [21] [22] [23] [24] El ingenio se elevó 3 m (9,8 pies) y permaneció allí durante unos 30 segundos antes de regresar a la superficie de Marte (con un tiempo total de vuelo de 39,1 segundos). . [25]

Con una masa de solo 1,8 kg, Ingenuity es el objeto artificial más ligero de Marte. El ingenio lleva un trozo de tela del ala del Wright Flyer de 1903 , el avión de los hermanos Wright , que fue el primer vuelo controlado de la humanidad más pesado que el aire en la Tierra. El área inicial de despegue y aterrizaje de Ingenuity se llama Wright Brothers Field como tributo. [26] Antes de Ingenuity , el primer vuelo de cualquier tipo en un planeta más allá de la Tierra fue un vuelo en globo sin motor en Venus , realizado por la nave espacial soviética Vega 1 en 1985. [27]

El rango lateral esperado se superó en el tercer vuelo, y la duración del vuelo se superó en el cuarto vuelo el 30 de abril. Con esos éxitos, Ingenuity logró sus objetivos originales. Luego, la NASA planeó más vuelos no como demostraciones técnicas puras, sino como demostraciones de operaciones, con la esperanza de mostrar cómo las misiones futuras pueden funcionar en colaboración. [28] [29] Durante su vuelo del 30 de abril de 2021, Ingenuity también se convirtió en la primera nave espacial interplanetaria cuyo sonido fue grabado por otra nave espacial interplanetaria, el rover Perseverance . [30] En su vuelo del 7 de mayo de 2021, Ingenuity se convirtió en la primera nave espacial interplanetaria que aterrizó en un lugar diferente al lugar de lanzamiento. [31]

Diagrama que muestra los componentes del ingenio

Debido a que la atmósfera de Marte es de sólo 1 / 100 como densa como la de la Tierra a nivel de superficie, [35] es mucho más difícil para un avión para generar ascensor , una dificultad solamente parcialmente compensado por Marte gravedad más bajo (aproximadamente un tercio de De la Tierra). [11] Volar cerca de la superficie de Marte se ha descrito como equivalente a volar a más de 87.000 pies (27.000 m) sobre la Tierra , una altitud que nunca han alcanzado los helicópteros existentes. Hecha principalmente de dióxido de carbono , la atmósfera de Marte requiere velocidades de rotación de la hoja de 2.400 rpm para que el ingenio permanezca en el aire, unas cinco veces más de lo que se necesita en la Tierra. [36]

Ingenuity está diseñado para ser un demostrador de tecnología por JPL para evaluar si esta tecnología puede volar de manera segura y proporcionar un mejor mapeo y orientación que brindaría a los futuros controladores de misión más información para ayudar con la planificación de rutas de viaje y la prevención de peligros, así como la identificación de puntos de interés. para el rover. [37] [38] [39] El helicóptero está diseñado para proporcionar imágenes aéreas con aproximadamente diez veces la resolución de las imágenes orbitales, y proporcionará imágenes de características que pueden estar ocluidas por las cámaras del rover Perseverance . [40] Se espera que tal exploración pueda permitir que los futuros vehículos exploradores conduzcan de manera segura hasta tres veces más lejos por sol . [41]

Los usos de helicóptero de la contra-rotación de los rotores coaxiales alrededor de 1,2 m (4 pies) de diámetro. Su carga útil es una cámara de alta resolución que mira hacia abajo para navegación, aterrizaje y estudios científicos del terreno, y un sistema de comunicación para transmitir datos al rover Perseverance . [42] Aunque es un avión, fue construido según las especificaciones de la nave espacial para soportar la aceleración y las vibraciones durante el lanzamiento. [43] También incluye sistemas resistentes a la radiación capaces de operar en el gélido ambiente de Marte. El campo magnético inconsistente de Marte impide el uso de una brújula para la navegación, por lo que utiliza una cámara de seguimiento solar integrada al sistema de navegación inercial visual de JPL . Algunas entradas adicionales incluyen giroscopios , odometría visual , sensores de inclinación , altímetro y detectores de peligro. [44] Fue diseñado para usar paneles solares para recargar sus baterías , que son seis celdas de iones de litio de Sony con 35-40 Wh (130-140 kJ) de capacidad de energía de la batería [34] (capacidad de placa de identificación de 2 Ah ). [13]

La duración del vuelo no está limitada por la energía disponible, sino por el calor residual que calienta los motores durante el vuelo a una velocidad de 1 K / s. [33]

El helicóptero utiliza un procesador Qualcomm Snapdragon 801 con sistema operativo Linux . [45] Entre otras funciones, este procesador controla el algoritmo de navegación visual a través de una estimación de velocidad derivada de características rastreadas con una cámara de navegación orientada hacia abajo en blanco y negro que contiene un sensor de obturador global Omnivision OV7251 o una cámara de terreno orientada al horizonte. [13] [46] El procesador Qualcomm está conectado a dos unidades microcontroladoras de control de vuelo (MCU) para realizar las funciones de control de vuelo necesarias . [13] También lleva una IMU Bosch BMI-160 de calidad para teléfonos móviles , un sensor de inclinación Murata SCA100T-D02 [13] y un altímetro láser Garmin LIDAR Lite v3 . [45]

Las comunicaciones con el móvil se realizan a través de un enlace de radio que utiliza protocolos de comunicación Zigbee de baja potencia , implementados a través de conjuntos de chips SiFlex 02 de 914 MHz montados tanto en el móvil como en el helicóptero. [47] El sistema de comunicación está diseñado para transmitir datos a 250 kbit / s a distancias de hasta 1000 m (3300 pies). [47] El helicóptero emplea una antena monopolo liviana ubicada en el panel solar del helicóptero que se usa como un plano de tierra más grande diseñado para comunicarse por igual en todas las direcciones. [47] Aunque es mucho más voluminoso, el rover también lleva una antena monopolo para comunicarse con el helicóptero. [47]

El JPL y AeroVironment de la NASA publicaron el diseño conceptual en 2014 de un helicóptero explorador para acompañar a un rover. [15] [48] [49] A mediados de 2016, se solicitaron 15 millones de dólares para mantener el desarrollo del helicóptero en marcha. [50] En diciembre de 2017, los modelos de ingeniería del vehículo se habían probado en una atmósfera marciana simulada [13] [2] y los modelos estaban siendo sometidos a pruebas en el Ártico , pero su inclusión en la misión aún no había sido aprobada ni financiada. [51] El presupuesto federal de los Estados Unidos , anunciado en marzo de 2018, proporcionó US $ 23 millones para el helicóptero durante un año [52] [53] y se anunció el 11 de mayo de 2018 que el helicóptero podría desarrollarse y probarse a tiempo para incluirse en la misión Mars 2020 . [54] El helicóptero se sometió a extensas pruebas de dinámica de vuelo y entorno, [13] [55] y luego se montó en la parte inferior del vehículo Perseverance en agosto de 2019. [56] Su masa es de poco menos de 1,8 kg (4,0 lb) [ 55] y JPL ha especificado que se planea tener una vida útil de cinco vuelos en Marte. [57] [54] La NASA ha invertido alrededor de 80 millones de dólares para construir Ingenuity y alrededor de 5 millones de dólares para operar el helicóptero. [58]

En abril de 2020, el vehículo fue nombrado Ingenio por Vaneeza Rupani, una niña de 11 ° grado en la escuela secundaria del condado de Tuscaloosa en Northport, Alabama , que presentó un ensayo en el concurso "Name the Rover" de la NASA. [59] [60] Conocido en las etapas de planificación como Mars Helicopter Scout , [32] o simplemente Mars Helicopter , [3] el apodo de Ginny comenzó a usarse más tarde en paralelo a que el vehículo principal Perseverance se llamara cariñosamente Percy . [61]

Pruebas preliminares en la Tierra

En 2019, los diseños preliminares de Ingenuity se probaron en la Tierra en condiciones atmosféricas y de gravedad simuladas de Marte . Para las pruebas de vuelo , se utilizó una gran cámara de vacío para simular la muy baja presión de la atmósfera de Marte , llena de dióxido de carbono a aproximadamente 0,60% (aproximadamente 1160 ) de la presión atmosférica estándar al nivel del mar en la Tierra, que es aproximadamente equivalente a un helicóptero que vuela a 34.000 m (112.000 pies) de altitud en la atmósfera de la Tierra . Para simular el campo de gravedad mucho más reducido de Marte (38% de la de la Tierra), el 62% de la gravedad de la Tierra fue compensado por una línea que tiraba hacia arriba durante las pruebas de vuelo. [34] Seutilizóuna "pared de viento" que constaba de casi 900 ventiladores de computadora para proporcionar viento en la cámara. [62] [63] : 1: 08: 05–1: 08: 40

Iteración futura del diseño del rover de Marte

El demostrador de tecnología Ingenuity podría sentar las bases sobre las cuales se podrían desarrollar aviones más capaces para la exploración aérea de Marte y otros objetivos planetarios con atmósfera. [37] [13] [64] La próxima generación de helicópteros podría estar en el rango entre 5 y 15 kg (11 y 33 libras) con cargas útiles científicas entre 0,5 y 1,5 kg (1,1 y 3,3 libras). Estas aeronaves potenciales podrían tener comunicación directa con un orbitador y pueden o no continuar trabajando con un activo aterrizado. [18] Los futuros helicópteros podrían usarse para explorar regiones especiales con agua helada o salmueras expuestas , donde la vida microbiana de Marte podría potencialmente sobrevivir. Los helicópteros de Marte también se pueden considerar para la recuperación rápida de pequeños depósitos de muestras de regreso a un vehículo de ascenso a Marte para regresar a la Tierra, como el que se lanzará en 2026. [58] [13]

Después del despliegue, el rover se alejó aproximadamente 100 m (330 pies) del dron para permitirle una "zona de peligro" segura en la que voló en abril de 2021. [17] [18] Se espera que el helicóptero Ingenuity vuele hasta cinco veces durante su campaña de prueba de 30 días a partir de abril de 2021, al principio de la misión del rover. [1] [16]

Ingenio , completamente desplegado.

Se prevé que cada vuelo se realice a altitudes que oscilen entre los 3 y los 5 m (10 y 16 pies) sobre el suelo. [1] En una conferencia de prensa de la NASA el 9 de abril de 2021, el líder de operaciones Tim Canham y Aung dijeron que se planea que el primer vuelo sea un vuelo estacionario estacionario a una altitud de 3 m (9,8 pies), que dure unos 40 segundos e incluya la toma una imagen del rover, con vuelos posteriores cada vez más ambiciosos. [63] : 0: 24: 49–0: 25: 29,1: 22: 21–1: 22: 55 Aung también explicó que los vuelos serían más ambiciosos a medida que se ganara experiencia y se redujera el tiempo asignado para operar el helicóptero. , y que la misión puede terminar antes de que finalice el período de 30 días, en el caso probable de que el helicóptero se estrellara. [63] : 0: 49: 50–0: 51: 40 En hasta 90 segundos por vuelo, podría viajar hasta 50 m (160 pies) hacia abajo del rango y luego regresar al área de inicio. [1]

El helicóptero utiliza control autónomo durante sus vuelos cortos, aunque los operadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) planifican y escriben los vuelos de forma telerobótica . Se comunica con el rover Perseverance directamente después de cada aterrizaje. [63] : 1: 20: 38–1: 22: 20

Después de los tres primeros vuelos exitosos, el objetivo se cambió de demostración de tecnología a demostración operativa. El objetivo se desplaza hacia el apoyo a la misión científica del rover mediante el mapeo y la exploración del terreno. [65] El 30 de abril de 2021, el cuarto vuelo resultó en que Ingenuity capturara con éxito numerosas fotos en color y también explorara la superficie del terreno que cubría con una cámara de navegación en blanco y negro. [66] El 7 de mayo, Ingenuity voló con éxito a un nuevo lugar de aterrizaje. [31]

El ingenio se desplegó el 3 de abril de 2021, [8] después de aterrizar con el rover Perseverance en el cráter Jezero en Octavia E. Butler Landing el 18 de febrero de 2021, y la remoción del escudo de escombros el 21 de marzo de 2021. [67] El El mismo día, Ingenuity tomó una foto de la superficie de Marte que fue transmitida a la Tierra. [68] [69]

Ruta de vuelo en helicóptero de ingenio y Ruta transversal de perseverancia que muestran sus ubicaciones actuales. Enlace en vivo en: https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/where-is-the-rover/

Las palas del rotor de Ingenuity se desbloquearon con éxito el 8 de abril de 2021 (misión sol 48) y realizó una prueba de giro del rotor a baja velocidad. [70] [71] [72] girando a 50 rpm. [73] Se intentó una prueba de giro a alta velocidad el 9 de abril, pero falló debido a la expiración de un temporizador de vigilancia , una medida para proteger al helicóptero de una operación incorrecta en condiciones imprevistas. [74] El 12 de abril, se anunció una actualización de software con un parche para corregir el problema. [21] Dado que con una secuencia de comandos adaptada hay un 85% de posibilidades de que funcione correctamente, no se utilizó la actualización. [75] El 17 de abril de 2021, Ingenuity pasó con éxito la prueba de giro a máxima velocidad. [22] La prueba involucró hacer girar las palas del rotor, mientras aún estaban en la superficie, hasta la máxima velocidad a alrededor de 2400 rpm por primera vez en Marte. [76]

El 19 de abril de 2021 a las 7:34 UTC, el helicóptero realizó con éxito el primer vuelo motorizado en Marte, que duró 39,1 segundos. Se elevó verticalmente unos 3 m (10 pies), flotó, giró en su lugar 96 grados en una maniobra planificada y aterrizó. Los datos que confirman el éxito del vuelo de prueba con las primeras fotografías de Ingenuity en pleno vuelo se recibieron más tarde a las 11:30 UTC. [9] [77]

El 22 de abril a las 9:33 UTC, Ingenuity realizó con éxito su segundo vuelo, que duró 51,9 segundos. Se elevó verticalmente a unos 5 m (16 pies) y flotó brevemente a esa altitud. Luego realizó una inclinación de 5 grados, lo que permitió que los rotores lo aceleraran 2 metros hacia los lados, se detuvo, flotó en su lugar e hizo giros para apuntar su cámara en diferentes direcciones. El ingenio luego regresó al centro del aeródromo para aterrizar. Los mensajes de este vuelo comenzaron a llegar a las 13:20 UTC. [78]

Ingenio, escuchado volar en Marte en su cuarto vuelo

Ingenuity realizó con éxito su tercer vuelo el 25 de abril de 2021 a las 11:31 UTC, con una duración de aproximadamente 80 segundos. Al igual que en el último vuelo, Ingenuity se elevó unos 5 m (16 pies) y flotó brevemente a esa altitud. Luego voló 50 metros hacia abajo mientras mantenía su altitud, alcanzando una velocidad máxima de dos metros por segundo. La cámara en blanco y negro orientada hacia abajo ayudó a Ingenuity a realizar un seguimiento de su posición sobre el suelo. El helicóptero voló de regreso a la ubicación sobre su lugar de despegue y aterrizó, completando un viaje de ida y vuelta de unos 100 metros (330 pies). [79] Los datos del vuelo se recibieron a las 14:16 UTC. [80]

El cuarto vuelo de Ingenuity se intentó el 29 de abril, pero falló debido a que el helicóptero no pudo pasar al modo de vuelo. Se volvió a intentar el 30 de abril de 2021, 14:49 UTC, y tuvo éxito, con una duración de 117 segundos. [28] Al igual que los 2 vuelos anteriores, el helicóptero se elevó a una altitud de 5 m (16 pies), marcando el inicio del cuarto vuelo. Luego voló hacia el sur unos 133 m (436 pies) y regresó para un viaje de ida y vuelta de 266 m (873 pies). Los datos del vuelo se recibieron poco después. [se necesita aclaración ] Se capturó un número récord de imágenes y se guardaron en la base de datos, alrededor de 60 en total durante los últimos 50 m (160 pies) antes de que el helicóptero regresara a su lugar de aterrizaje. [81] El 7 de mayo, la NASA confirmó que Perseverance logró grabar tanto audio como video del cuarto vuelo. [82]

El quinto vuelo de Ingenuity tuvo éxito el 7 de mayo de 2021 a las 19:26 UTC, con una duración de 108 segundos. El ingenio subió 5 m (16 pies) de altura, [83] al igual que los últimos tres vuelos, y viajó a un lugar de aterrizaje a 129 m (423 pies) al sur. Después de su llegada, el helicóptero voló a una altitud de 10 m (33 pies) de altura, capturó algunas imágenes en color de alta resolución de su lugar de aterrizaje y aterrizó en el nuevo sitio. [31]

El sexto vuelo más exitoso de Ingenuity ocurrió el 22 de mayo [84] y duró unos 140 segundos. El ingenio subió a una altitud de 10 m (33 pies) y viajó 150 m (490 pies) al suroeste. Cerca del final de ese viaje, el helicóptero experimentó una falla en el sistema de cámara de navegación, lo que provocó que todas las imágenes siguientes se marcaran con marcas de tiempo incorrectas. Esto provocó una inclinación hacia adelante y hacia atrás de hasta 20 grados y grandes picos en el consumo de energía. El ingenio siguió volando y viajó unos 15 m (50 pies) hacia el sur. Después de eso, viajó unos 50 m (160 pies) al noreste y aterrizó a unos 5 m (16 pies) del lugar de aterrizaje planificado. Este fue el primer vuelo en el que Ingenuity experimentó una anomalía de vuelo. [85]

TBD: Por determinar.

Los funcionarios de la NASA y el JPL describieron el primer vuelo de Ingenuity como su "momento de los hermanos Wright", por analogía con el primer vuelo exitoso de un avión en la Tierra. [26] [100] Un pequeño trozo de la tela de ala de los hermanos Wright '1903 Wright Flyer está unido a un cable debajo de Ingenuity ' panel solar s. [101] En 1969, Apolo 11 's Neil Armstrong llevaba un similares Wright Flyer artefacto a la Luna en el módulo lunar Águila .

La NASA nombró la primera pista de aterrizaje de despegue y aterrizaje de Ingenuity Wright Brothers Field, a la cual la agencia de la ONU OACI le dio un código de aeropuerto JZRO para el cráter Jezero, [102] y al dron en sí mismo un designador de tipo IGY, indicativo de llamada INGENUITY. [103] [104] [105]

Audios

Ingenio del helicóptero de Marte , escuchado volar en Marte en su cuarto vuelo

Videos

Helicóptero Mars Ingenuity - vuelos de prueba - abril de 2021
Primer vuelo de prueba
(video; 00:57; 19 de abril de 2021)
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Primer vuelo de prueba
(animado; video; 01:19)
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Polvo visto durante el primer vuelo con temporizador (video mejorado; 00:46)
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Segundo vuelo de prueba
(00:21; 22 de abril de 2021)
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Tercer vuelo de prueba
(01:16; 25 de abril de 2021)
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Cuarta prueba (video + audio)
(02:44; 30 de abril de 2021)